基于单片机的电动机转速测量系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的电动机转速测量系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

脉冲发生器输出脉冲的周期，所以又称周期法。 在 T 法测速中，准确的测速时间 Tt 是 用所得的高频时钟脉冲个数 2M 计算出来的，即Ｔ t= 2M /f ，则电动机转速为 20f60ZTt60 ZMn  （ ） 高速时 2M 小，量化误差大，随着转速的降低误差减小，所以 T 法测速适用于低速段，与 M 法恰好相反。 光电脉冲发生器输出脉 冲、测速时间、高频时钟脉冲如图 所示： 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 7 图 T 法测速 M/T 法测速 把 M 法和 T 法结合起来，即检测 Tc 时间内光电脉冲发生器所产生的脉冲信号个数 1M ，又检测同一时间间隔内的高频时钟脉冲个数 2M ，用来计算转速，称作 M/T 法测速。 设高频时钟脉冲的频率为 0f ,则准确的测速时间 Tt＝ 2M /0f ,而电动机转速为： 201f60Z T t60 ZMMn  （ ） 采用 M/T 法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与光电脉冲发生器输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减少误差（如图 ），只有等到光电脉冲发生器输出脉冲前沿到达时，两计数器才同时允许开始或停止计数。 由于 M/T 法的计数值 1M 和 2M都随着转速的变化而变化，高 速时，相当于 M 法测速 ； 低速时， 1M 1，自动进入T 法测速。 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 8 图 M/T 测速 通过上面的分析可知： M 法测量转速在极端情况下会产生 177。 1 个转速脉冲的误差，而 T 法在极端情况下，时间的测量会产生 177。 1 个高频脉冲周期。 由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿 (或下降沿 ) 来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数 (无误差 ) ，只有高频时钟脉冲会产生 177。 1 的误差，因其很小，影响可以忽略，所以用 M/T法实现测速具 有较高的测速精度。 各种测速方法的精度指标 分辨率 分辨率是用来衡量一种测速方法对被转速变化的分辨能力的，在数字测速方法中，用改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用Ｑ表示。 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辨率是 Q=n1—n2（转 /分） （ ） Q 越小，测速装置的分辩能力越强； Q 越小，系统控制精度越高。 (1) M 法测速的分辨率 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 9 在 M 法测速中，当计数值由 1M 变为 1M ＋ 1 时，按式（ ）。 相应的转速由60M1/ZTc 变为 60（ M1＋ 1/） ZTc，则 M 法测速分辨率为 ：   ZTZTMT 6060Z 1M60Q 11  － （ ） 可见， M 法测速的分辨率与实际转速的大小无关。 从式（ ）还可看出，要提高分辨率（即减小 Q），必须增大 Tc 或 Z。 但在实际中，两者都受到限制，增大Z 受到脉冲发生器制造工艺的限制，增大 Tc 势必使采样周 期变长。 (2) T 法测速的分辨率 为了使结果得到正值， T 法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由 M2 变为 M2－1 时转速的变化量，于是    160 ff601MZ 60 fQ 22 0202 0 －－－ MZMZM  （ ） 综合（ ）和（ ），可得 Znn －0260fZn （ ） 由上式可以看出， T 法测速的分辨率与转速高低有关，转速 越低， Q 值越小，分辨能力越强。 这也说明， T 法更适于测量低速。 3 ） M/T 法测速的分辨率  1M60fQ 22 10 －MZM （ ） M/T 法测速在高速段与 M 法相近，在低速段与 T 法相近，所以兼有 M 法和 T法的特点，在高速和低速都有较强的分辨能力。 测速误差率 计 算 测速误差率是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即 %100nn  （ ） 测速误差率反映了测速方法的准确性，测量误差越小，准确度越高，系统控制精度越高。 的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 10 （ 1） M 法测速误差率 在 M 法测速中，测速误差决定于 脉冲发生器的制造精度，以及脉冲发生器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等等，最多可能产生 1 个脉冲的误差。 因此， M 法测速误差率的最大值为  1 0 0 %M11 0 0 %ZT6 0 MZT1M60ZT6 0 M1C1C1c1m a x －— （ ） 由上式可知， δmax 与 M1 成反比，即转速愈低， M1 愈小，误差率愈大。 （ 2 ） T 法测速误差率 采用 T 法测速时，产生误差的原因与 M 法中相仿， M2 最多可能产生 1 个脉冲的误差。 因此， T 法测速误差率的最大值为   1 0 0 %1M 11 0 0 %ZT6 0 MZMf601MZ6 0 f2C12020m a x  －—－ （ ） 低速时，脉冲发生器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数 M2 多，所以误差率小，测速精度高，故 T 法测速适用于低速段。 两种测速方法的比较： M 法测速在高速段分辨率强； T 法测速在低速段分辨率强； （ 3 ） M/T 法测速误差率 在低速时 M/T 法趋向于 T 法，在高速段 M/ T 法测速相当于 T 法的 M1 次平均，而在这 M1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 因此， M/T 法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。 测速方法的比较和选择 从测量分辨率上看， T 法测低速时分辨率较高，但随着转速的增大，分辨率变坏； M 法则相反，高速时分辨率较高。 而低速时分辨率变低；同步 M/T 法结合了前两者的优点，在整个转速范围内有较高的分辨率。 从测量精度上看， T 法测速的 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 11 测 量精度随着转速的增加而减小； M 法的测速精度在高速时较高。 而在低速时变低；同步 M/T 法的测速精度介于二者之间。 综合以上两方面，同步 M/T 法是一种比较好的方法。 在许多系统中都采用这种方法。 虽然 M/T 法有这么多优点，但也有不少问题： 1) 实时性差。 因为需要同步，所以实际定时时间滞后于设定时间，具有迟滞性。 2) 测速精度具有非线性。 在宽转速范围内，测速误差逐渐递增，不均匀。 这不利于在整个转速范围内实现高精度转速控制。 3) 同步 M/T 法和 T 法一样，计数时钟都利用单片机内部定时器的时钟很难做到与转速脉冲同步， 即使做到与转速脉冲同步，测量的计数误差也会给测量精度带来影响。 在同步 M/T 法中，测量精度本质上并没有显著提高。 而且要得到高精度测量，对各个环节要求都比较高，这样就使整个系统的价格昂贵，否则 M/T 法的精度就无法保证。 所以采用 M 法就能达到要求。 为提高测速精度。 本文提出一种新方法，即改进的 M 法。 该方法在高速时精度很高，只要能增加低速时的盘脉冲 ， 就能解决在低速时测量精度低的问题。 本章小结 本章充分介绍了关于直流电机的测速系统的相关内容，具体直流电机测速的分类、方法。 在本章中 经 过比较决定运用数字测速中的 M 法 进行试验。 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 12 3 直流电机测速系统的总体方案设定 直流电机测速系统的整个设计中最重要的部分是直流电机转速的测量，本设计使用凌阳 16 位 SPCE061A 单片机为直流电机转速调节的主控制芯片，其较高的数据处理能力和丰富的指令系统，从硬件和软件两部分来改善系统性能，使研制成的直流电机控制系统具有很好的快速性和准确性，符合设计要求。 测速与显示系统总体方案设计 在电机转速测量系统中，可以利 用光电变换的方法，将电机的转速测量出来。 在设计型实验中，测速对象为额定电压 5V 的直流电动机，其转速受电枢电压控制，用改变电枢电压的方法进行电机调整。 为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个码盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。 电机转速的测量范围为 30 — 60r/min，用 4 位七段数码管显示出相应的电动机转速。 它涉及光电转换、放大、整形、倍频、计数、译码、显示及计数、显示之间时序关系的控制。 电动机转速测量系统框图如图 所示。 图 电动机转速测量系统框图 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 13 直流电机测速系统硬件方案论证 本系统由一块 SPCE061A 精简开发板（ 61 板）和一块电机控制模组构成，以 SPCE061A 为核心，包括电机驱动、按键、 LED 数码管等模块。 系统的结构框图如图 所示。 图 系统的结构框图 SPCE061A 单片机作为主控芯片，通过 I/O 端口来控制 SPGT62C19B 电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。 电机模组上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机，单片机针对测得的实际转速来调节 SPGT62C19B 的控制状态，从而 使转速由 4 位数码管显示出来。 61 板的三个按键用来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。 直流电机数字测速基本原理 本文采用 M 法（频率法）对直流电机测速。 M 法测速的工作是利用 4KHz 时基中断，当光栅转盘的挖空部分经过红外对管时，与之连接的单片机 I/O 口将输入低电平；而光栅转盘阻隔红外对管时，该 I/O 口将入高电平。 以 4KHz 作为采样频率，检测该 I/O 端口的电平状态并计数，即可通过一段时间内的计数值计算出电机转速。 同时将转速反馈到单片机中，显示转速的结果实现直流电机的调速。 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 14 转速测量与显示方案设计 硬件部分：测 速部分由光栅转盘和红外对管组成，当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截止状态。 反之，当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态。 当电机每转动一周，红外接收管将接收到 4次红外光，通过定时计数的方法计算出电机转动速度。 显示部分 模组提供了 4位共阴极 LED数码管 ，将单片机与 LED数码管相连利用 C语言编程即可实现数码管显示控制。 软件部分：开始时，编写电机转速设定 SetSpeed()与方向设定 SetDirection()，通过按键设定初始转速与方向。 编写 switch case 语句通过按键来改变设定值。 启动电机，测速计数器加 1，定时计数器加 1。 达到给定时间，计算电机转速并保存电机转速，测速计数器清零，定时计数器清零。 返回主程序重新开始测速。 试验由硬件部分与软件部分组成。 硬件部分由一块 SPCE061A 和一块电机控制模组构成，以 SPCE061A 为核心，包括电机驱动、按键、 LED 数码管等模块。 SPCE061A 单片机作为主控芯片，通过 I/O 端口来控制 SPGT62C19B 电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。 软件部分通过凌阳公司提供的软件 ，在该软件编写环境下针对直流电机系统要求对单片机编写相应的 C 语言程序实现对直流电机的控制。 直流电机转速控制系统原理框图如下图 所示。 图 直流电机转速控制系统的原理框图 本章小结 本章主要讲述了直流电流转速测量及显示方案的设定，直流电机控制转速的方案的设定。 P 控制器 电机 测速 D/A A/D 沈阳航空 航天大学 北方科技学院毕业设计（论文） 15 4 测速系统硬件设计 本系统采用 SPCE061A 单片机作为主控制器，采用 61 板配备的 3 个按键作为输入部分。